RS52154B - Postupak za kontrolisanje procesa za proizvodnju sirćetne kiseline - Google Patents

Description

Oblast tehnike

Ovaj pronalazak se odnosi na postupak za upravljanje procesom za proizvodnju sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola ili derivata koji se može karbonilovati, a posebno na postupak upravljanja tokom poremećaja procesa i povraćaj a iz tog stanja.

Stanje tehnike

Između sada korišćenih procesa za sintezu sirćetne kiseline, izdvaja se kao jedan od komercijalno najzastupljenijih katalizovano karbonilovanje metanola sa ugljenmonoksidom kako je opisano u američkom patentu US 3,769,329 objavljenom 30.oktobra 1973.godine (Paulik et.al.). Katalizator za karbonilovanje sadrži rodijum, bilo rastvoren ili na drugi način dispergovan u tečnom reakcionom medijumu ili nanet na inertan čvrsti nosač, zajedno sa promoterom katalizatora koji je na bazi halogena kao što je metil jodid. Rodijum se može uneti u reakcioni sistem u nekoj od mnogobrojnih formi i prava priroda rodijuma kao komponente u okviru aktivnog kompleksa katalizatora je neodređena. Uz to, priroda halogenog promotera nije od presudnog značaja. Vlasnici patenata otkrivaju veliki broj pogodnih promotera od kojih su većina organski jodidi. Kao najtipičnija i najkorisnija je reakcija koja se izvodi kontinualnim barbotiranjem gasovitim ugljenmonoksidom tečne reakcione sredine u kojoj je katalizator rastvoren ili suspendovan.

Unapređenje procesa datog u okviru stanja tehnike za karbonilovanje alkohola u cilju proizvodnje^ karboksilne kiseline koja ima jedan atom ugljenika više od alkohola, u prisustvu rodijum katalizatora, je opisano u američkom patentu US 5,001,259 objavljenom 19.marta 1991.; US 5,026,908, objavljenom 25.juna 1991.; US 5,144,068, objavljenom 1.septembra 1992.; i evropskom patentu EP 0 161 874B2, objavljenom l.jula 1992. Kao što je navedeno, sirćetna kiselina se proizvodi iz metanola ili derivata koji se može karbonilovati, u reakcionom medijumu koji sadrži metilacetat, metilhalogenid, posebno metiljodid i rodijuma prisutnog u koncentraciji koja je katalitički efikasna. Ovi patenti otkrivaju da se stabilnost katalizatora i produktivnost reaktora za karbonilovanje mogu održavati na neočekivano visokim nivoima, čak pri vrlo niskim koncentracijama vode tj. pri 4 težinskih procenata ili niže. Potrebna koncentracija jodidnih jona, pored sadržaja jodida prisutnog kao metiljodid ili kao drugi organski jodid, održava se u reakcionoj sredini (nasuprot uobičajenoj industrijskoj praksi u održavanju približno 14-15 težinskih procenata vode), zajedno sa katalitički efikasnom količinom rodijuma i najmanjoj konačnoj koncentraciji vode. Jodidni jon je prisutan u obliku obične soli pri čemu ima prednost litijum jodid. Patenti ukazuju na činjenicu da su koncentracije metil acetata i jodidnih soli značajni parametri koji utiču na brzinu karbonilovanja metanola pri proizvodnji sirćetne kiseline, posebno pri niskim koncentracijama vode u reaktoru. Korišćenjem relativno visokih koncentracija metil acetata i jodidne soli, dobija se iznenađujući stepen stabilnosti katalizatora i produktivnosti reaktora čak i kada tečni reakcioni medij um sadrži vodu koncentracije od samo oko 0,1 težinskih procenata, tako niskom da se može jednostavno definisati kao „konačna koncentracija" vode. Osim toga, korišćeni reakcioni medijum poboljšava stabilnost rodijum katalizatora, tj. poboljšava otpornost na taloženje katalizatora, posebno tokom procesnih faza rekuperacije proizvoda. U ovim fazama, destilacijom koja se obavlja u cilju obnavljanja sirćetne kiseline kao proizvoda, teži se da se iz katalizatora ukloni ugljenmonoksid koji se održava u sredini reakcione posude, a koji je ligand za stabilizovanje rodijuma. Američki patenti US 5,001,259 , US 5,026,908 i US 5,144,068 su ovde uključeni kroz reference.

Kao i kod svakog složenog hemijskog procesa, gore opisani postupak karbonilovanja metanola zahteva praćenje i kontrolu većeg broja procesnih uslova kao što su brzina napajanja metanola i ugljenmonoksida, temperatura i pritisak u reaktoru, temperatura i pritisak flešera, uslovi destilacije i slično. Posebno se pažljivo kontrolišu procesni uslovi da bi se obezbedila izuzetna čistoća sirćetne kiseline kao proizvoda, a naročito da je bitno oslobođena od vode, metanola i propionske kiseline. Zbog toga, kada se jedan ili više procesnih uslova iznenada promeni kao posledica nekog neočekivanog događaja kao što je iznenadno smanjenje u napajanju ugljenmonoksidom, otkazivanje pumpe za katalizator ili slično, brzina proizvodnje se mora podesiti, obično smanjiti - da bi se obezbedilo da sirćetna kiselina kao proizvod i dalje ispunjava specifikaciju kvaliteta. Međutim, poželjno je da se nakon poremećaja, proces što brže vrati na normalne radne uslove. Uočeno je, međutim, da kontroleri procesa koji koriste standardne linearne algoritme za kontrolu, ne obezbeđuju dovoljno brzi povraćaj iz stanja poremećaja procesa većeg obima zbog toga što su kontroleri podešeni da održavaju upravljanje u uskom opsegu „normalnih" radnih uslova, a ne u širokom opsegu koji nastaje kao posledica značajnog poremećaja. Naročito su linearni kontroleri ograničeni u tome što je njihova karakteristika - pojačanje (tj.odnos između veličine nekog odstupanja od ciljnih uslova vezanih sa nekom kontrolnom promenljivom i veličine korektivnog upravljačkog dejstva postignutog uz primenu selektovanih promenljivih) fiksno, umesto da bude promenljivo. Jedan primer pojačanja kontrolera je količina promene protoka pare koja je potrebna toplotnom izmenjivaču da bi se prouzrokovala izmena temperature procesne struje od jednog stepena. Za vreme promene protoka, usled poremećaja, sastav procesne struje će se promeniti, što će imati za posledicu promenu količine pare potrebnu da prouzrokuje promenu temperature za jedan stepen. Zbog ovog ograničenja linearnih kontrolera, većina višestruko promenljivih prediktivnih kontrolera nisu u mogućnosti da održe kontrolu i brzo povrate proces iz poremećaja velikog obima. Čak i tamo gde ovi kontroleri rade na bazi empirijskog ili teoretskog modela procesa, osnovna pretpostavka njihove kontrolne šeme je obično da su pojačanja procesa (tj.veličina procesnog odgovora na kontrolno dejstvo) više ili manje linearna. Ova pretpostavka upućuje na nepouzdanost za hemijske procese, naročito gde je odstupanje od zadatih uslova vrlo veliko ili gde se simultano odvija više međusobno povezanih reakcija.

U okviru stanja tehnike, interesantna je američka patentna prijava US2003/0018213 (pronalazač je Daniel Thiebaut, FR) koja se odnosi na postupak za praćenje proizvodnje sirćetne kiseline i/ili metilacetata kontinualnim postupkom karbonilovanja metanola ili derivata metanola koji se može karbonilovati sa ugljenmonoksidom u tečnoj fazi, u prisustvu vode i sistema homogenog katalizatora; ovaj postupak se odvija u industrijskom postrojenju koje obuhvata reakcionu zonu, zonu za rektifikaciju lakih frakcija i zonu za destilaciono prečišćavanje, pri čemu se temperatura reaktora i brzina punjenja metanola ili derivata metanola koji se može karbonilovati u pomenutom reaktoru, dovode pod kontrolu, pogodno pomoću višestruko promenljivog prediktivnog kontrolera, zatim pomoću brzine punjenja ugljenmonoksida i pomoću bar jednog od parametara koji definišu sastav reakcionog medijuma.

US2003/0018213 otkriva postupak praćenja proizvodnje sirćetne kiseline kontrolom protoka ugljenmonoksida pri čemu se procesom upravlja korišćenjem višestruko promenljivog prediktivnog kontrolera. U paragrafu [0017] se otkriva da rezultat optimizacije procesa proizvodnje sirćetne kiseline je maksimizacija proizvodnje sirćetne kiseline u postojećoj opremi. Da bi se to dostiglo, reakcija se vodi sa koncentracijom različitih sastojaka reakcionog medijuma koji se održavaju na unapred odredjenim vrednostima tako da se dobiju najpovoljniji kinetički uslovi.

U paragrafu [0037], US2003/0018213 dalje otkriva da je predmet pronalaska prevazilaženje ovih nedostataka obezbedjujući postupak praćenja koji deluje automatski tako da održava posebno koncentraciju vode i/ili metil acetata i koji omogućava maksimalnu proizvodnju sirćetne kiseline kada opada protok ugljenmomoksida.

Dalje u paragrafu [0052], US2003/0018213 otkriva da se pronalazak sastoji u promeni temperature u reaktoru i protoka metanola u reaktoru sa ciljem uskladjivanja proizvodnje sirćetne kiseline i raspoložive količine ugljenmomoksida, dok se u isto vreme održava stanje malog sadržaja vodonika ili C02 što omogućava optimizaciju CO potrošnje specijalno pomoću preprogramiranog elektronskog uredjaja kakav je višestruko promenljivi kontroler sa prediktivnim upravljanjem.

Pronalazak iz US2003/0018213 otkriva da se proces vodi kontrolerom koji reguliše stvarne promenljive oko zadatih vrednosti delovanjem na promenljive korišćenjem odgovarajućeg sredstva. Takođe, ovaj pronalazak se odnosi na upravljanje procesom u toku normalnog rada u cilju maksimalizovanja brzine reakcije.

US2003/0018213 na taj način ne otkriva i ne sugeriše postupak za upravljanje procesom proizvodnje sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola ili derivata koji se može karbonilovati u nenormalnim uslovima, gde proces podrazumeva smanjenje proizvodnje kao posledice promene procesnih uslova ili promene stanja procesne opreme.

Pronalazak iz US2003/0018213 je u suprotnosti sa postupkom kojim se upravlja procesom kao odgovor na promene procesnih uslova ili stanja procesne opreme u toku nenormalnih proizvodnih uslova, pomoću promene brzine proizvodnje, upravljanje za vreme smanjene brzine proizvodnje i zatim, povećanja brzine proizvodnje do normalnog radnog opsega.

To je upravo situacija u reaktoru sa sirćetnom kiselinom gde se pored karbonilovanja metanola, može odvijati i reakcija jednog molekula metanola (reverzibilno) sa molekulom sirćetne kiseline da bi se dobio metilacetat i voda; dva molekula metanola mogu reagovati da bi se formirao dimetiletar i voda; takođe, metilacetat može direktno reagovati sa ugljenmonoksidom i vodom dajući sirćetnu kiselinu. U stvari, to pokazuje da bar neki od poremećaja procesa u reaktoru za karbonilovanje metanola nisu samo nelinearni, već su u stvarnosti pokazatelj promena koje zavise od procesnih uslova.

Za vreme značajnih procesnih poremećaja u postupku karbonilovanja metanola, neobično je da karakteristike budu konstantne, što čini linearnu kontrolu manje efikasnom.

I pored uočenih nedostataka kontrolera baziranih na linearnom modelu za reakcione sisteme sirćetne kiseline, uopšte nije smatrano prikladnim da se za ovu primenu upotrebe nelinearni kontroleri. Sve do sada, smatralo se da se nelinearni kontroleri najbolje primenjuju u okruženju gde se procesne zadate vrednosti namerno menjaju (npr., da se promeni klasa proizvoda) i cilj je da se minimizira prelazno vreme u slučaju takvih promena. Postojeće nelinearne aplikacije su fokusirane na proizvodnju polimera gde postoje česte promene u klasi proizvoda. Ove aplikacije nisu fokusirane na promene povezane sa kapacitetom. Međutim, ostaje potreba za kontrolnim sistemima koji mogu da upravljaju nelinearnim procesima u odgovoru na neočekivane poremećaje tako da osiguraju brz povraćaj.

Jedan takav sistem koji je sada komercijalno upotrebljiv je sistem firme ASPEN Technologv koji koristi dve odvojene komponente da upravlja poremećajem procesa. Pored dinamičkog kontrolera za održavanje kontrole dok se ne dobije informacija o poremećaju, ASPEN-ovo rešenje koristi odvojenu komponentu sa progamiranom karakteristikom koja je namenjena da ostvari povratak na normalne radne uslove. Ustvari, komponenta sa programiranom karakteristikom tretira povratak od nepredviđenih do normalnih uslova kao promenu kvaliteta i nakon povratka nameće niz suštinski linearnih prelaznih stanja. Pa ipak, ostaje potreba za kontrolnim sistemom koji integriše ove komponente. Ovim pronalaskom se postiže ovaj cilj.

Izlaganje suštine pronalaska

Prema jednom aspektu, sadašnji pronalazak opisuje postupak za upravljanje procesom za proizvodnju sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola ili derivata koji se može karbonilovati, a koji obuhvata: praćenje brzine proizvodnje sirćetne kiseline; smanjenje brzine proizvodnje kao odgovor na promene procesnih uslova ili stanja procesne opreme; nakon što je brzina proizvodnje redukovana, kontrolu procesa pri smanjenoj brzini; i povećanje brzine proizvodnje nakon promene pomenutih izmenjenih uslova bar do povratka brzine proizvodnje u normalni opseg; pri čemu se, tokom bar jednog od koraka za smanjenje brzine proizvodnje, kontrolisanje procesa pri smanjenoj brzini, kao i pri povećanju brzine proizvodnje sve do povratka u normalan radni opseg, proces kontroliše sa nelinearnim višestruko-promenljivim upravljanjem baziranim na modelu procesa.

Otkriveni postupak može da održava upravljanje tokom raznih promena stanja, koje uključuju, ali se ne ograničavaju na jednu ili više od sledećih promena: (a) značajno smanjenje prisustva ugljenmonoksida; (b) otkazivanje pumpe katalizatora ili napojne pumpe; (c) smanjenje kapaciteta zagrevanja ili hlađenja; (d) potapanje nizvodne kolone za prečišćavanje; (e) značajno odstupanje od očekivanog sastava jednog ili više tokova vezanih sa kolonom za prečišćavanje (na primer, nedovoljno vode ili višak sirćetne kiseline u vrhu kolone lakih frakcija, što može rezultirati u gubitku fazne separacije); (f) manjak kapaciteta skladištenja sirćetne kiseline; i slične promene. Ovaj postupak takođe može da održava kontrolu usled promena izazvanih planiranom promenom brzine proizvodnje ili tipa proizvoda.

U drugom aspektu, ovo otkriće opisuje postupak za proizvodnju sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola, koji uključuje stupanj kontrolisanja bar jedne reakcione sekcije ovog procesa i/ili sekcije za prečišćavanje uz primenu višestruko promenljivog nelinearnog prediktivnog kontrolera koji se bazira na nelinearnom modelu procesa. Ovaj kontroler primenjuje isti procesni model da kontroliše proces za vreme normalnog rada, za vreme poremećaja procesa i takođe za vreme perioda povraćaja nakon što je poremećaj otklonjen.

Kratak opis slika nacrta

Uprkos činjenici daje ovaj pronalazak podložan raznim modifikacijama i alternativnim oblicima, specifične varijante su prikazane u vidu primera u crtežima i biće detaljnije opisane u ovom opisu. Međutim, treba razumeti da ovaj pronalazak nije ograničen na izložene posebne primere. Tačnije, pronalazak ima za cilj da obuhvati sve izmene, ekvivalente i alternative koje su deo obima pronalaska, kao što je defmisano u priloženim patentnim zahtevima.

Slika 1 prikazuje šematski dijagram reprezentativnog procesa karbonilovanja metanola pogodnog za upotrebu sa ovim pronalaskom.

Slika 2 prikazuje dijagram zavisnosti brzine proizvodnje sirćetne kiseline od vremena koje uključuje period poremećaja procesa i period povraćaja nakon toga, koji se očekuje kada se upotrebljava kontroler na bazi nelinearnog modela prema jednom aspektu ovog otkrića.

Slika 3 prikazuje dijagram zavisnosti brzine proizvodnje sirćetne kiseline u odnosu na vreme obnove perioda nakon procesa poremećaja. Kriva A predstavlja odgovor sa kombinacijom tokom stabilizacije pod kontrolom operatora i prateće kontrole na bazi standardnog linearnog modela. Kriva B predstavlja poboljšan odgovor dobijen tokom upotrebe kontrolera zasnovanog na nelinearnom modelu prema jednom aspektu ovog otkrića.

Detaljan opis pronalaska

U nastavku su opisani jedna ili više ilustrativnih varijanti ovog pronalaska. Radi pojednostavljenja nisu opisane sve karakteristike aktuelne implementacije. Naravno, mora se imati u vidu da je za razvoj bilo kakve varijante, potrebno razmotriti i sprovesti mnogobrojne primene i doneti posebne odluke, kako bi se postigli specifični ciljevi onih koji se bave razvojem, a u skladu sa ograničenjima vezanih za sistem i poslovanje koji će varirati od jedne do druge primene.

Štaviše, ovakav napor će biti složen i dugotrajan, ali će ipak biti rutinski poduhvat za one koji su verzirani u ovoj oblasti tehnike i mogu imati korist od ovog pronalaska.

Slika 1 prikazuje uobičajni proces karbonilovanja metanola (10) sa ciljem dobijanja sirćetne kiseline. Kao stoje objašnjeno u U.S. Patentu No 3,769,329 i 5,001,257 koji su priključeni ovde kao referenca, reakcija karbonilovanja se izvodi uvodjenjem ugljenmonoksida (12) i toka koji sadrži metanol (14) i/ili derivat koji se može karbonilovati, u reaktor sa mešanjem ( 16) sa katalizatorom, kao što su npr. rodijum ili iridijum katalizator, organski jodid kao što je metil jodid, i (u slučaju rodijum katalizatora), neorganski jodid kao što je litijum jodid (kako je već napred objašnjeno). Efluent iz reaktora (18) se flešuje da bi se ponovo dobili katalizatori i neorganski jodid. Ovo se obično odvija u posebnom sudu, koji nije prikazan na slici 1, iz koga se ostatak recikliše u reaktor, a proizvod iz gornje zone se podvrgava dodatnom prečišćavanju. Produkt flešovanja je podvrgnut seriji destilacija sa ciljem prečišćavanja sirćetne kiseline izdvajanjem i recirkulisanjem neproreagovanog metanola, metil acetata i metil jodida u „koloni sa lakim frakcijama" ili „spliter koloni" (20); izdvajanjem vode u koloni za sušenje (22); i (ako je neophodno) izdvajanje propionske kiseline i drugih jedinjenja koja sadrže karbonil, kao što je krotonaldehid i viših alkil jodida kao što je heksil jodid u koloni teških frakcija (24).

Poznat je niz daljih rafinacija: npr lake frakcije iz kolone lakih frakcija (26) sadrže teške i lake tečne faze koje se odvajaju u dekanteru (28) i to može da

se posebno tretira (tj. da se izdvoje alkani ili acetaldehidi) pre nego što se vrate u reaktor. Poznato je da nemogućnost održavanja razdvajanja tečno - tečnih faza ukazuje na procesne probleme koji, ako se ne otklone, mogu značajno da utiču na odvijanje procesa.

Takođe je razumljivo da drugi brojni poremećaji zahtevaju privremeno smanjenje brzine proizvodnje sirćetne kiseline do rešenja problema. Na primer, značajno smanjenje u napajanju reaktora (16) bilo ugljenmonoksidom (12) ili metanolom (14), očigledno će zahtevati smanjenje brzine proizvodnje.

Redje, kvar na pumpi katalizatora ili gubitak pare za grejanje destilacione kolone mogu da privremeno izazovu smanjenje brzine proizvodnje. Potapanje kolone za prečišćavanje, što ukazuje na promenu sastava reakcionog sistema, može takodje da zahteva smanjenje brzine proizvodnje. Proizvodnja može da bude smanjena i u slučaju nedostatka skladišnog prostora za sirćetnu kiselinu (30).

Kada procesni poremećaj zahteva smanjenje brzine proizvodnje sirćetne kiseline, veoma je važno minimizovati trajanje smanjene proizvodnje. Kada je poremećaj relativno mali, tipičan višestruko promenljivi linearni prediktivni kontroler može da ga kori guje automatski. Ali u slučaju većih poremećaja, prediktivni model koji se nalazi u kontroleru nije sposoban da tačno izračuna potrebnu korektivnu meru. Pošto takav kontroler podrazumeva linearnu prirodu procesa, izlaz iz kontrolera će se menjati vrlo sporo da bi se izbegla hiperkompenzacija. Kao rezultat toga, potrebno je nekoliko sati ili čak nekoliko dana da bi se proces za proizvodnju sirćetne kiseline povratio iz ozbiljnog poremećaja, čak i nakon saniranja samog poremećaja. Kada postrojenje radi sa ili blizu kapaciteta koji odgovara visokom zahtevu potražnje, produžena redukcija u proizvodnji može da izazove milione dolara izgubljene dobiti.

Jedan alternativni pristup, koji je dao rezultate, je „planiranje karakteristike". Ovaj pristup primenjuje ograničen broj posebnih grupa parametara koje podešava kontroler da kontrolišu diskretna, dobro označena radna područja unutar ukupnog radnog opsega ovog procesa. U suštini, ovaj pristup priprema nelinearne procesne karakteristike daljim deljenjem procesa u radna područja unutar kojih je ova procesna karakteristika manje ili više linearna. Dva glavna izazova u implementiran)u ovog pristupa su razvoj višestrukih, odvojenih grupa kontrolnih parametara i tačna identifikacija prelaznih tačaka između radnih opsega.

Takođe je izuzetno važno da se osigura da se kontrola procesa održava za vreme ozbiljnog poremećaja procesa. Sa stanovišta efikasnosti, može biti nemoguće ili neodgovarajuće da se period povraćaja dalje podeli u višestruko-linearne opsege. Na taj način, sistemi sa planiranim karakteristikama su neefikasni. Sistemi sa planiranim krakteristikama nisu naročito pogodni za upravljanje poremećajima procesa jer su oni primarno programirani da olakšaju planirane prelaze između dva radna stanja, a ne da brzo pospeše povraćaj iz neke neočekivane i značajne promene u radnim uslovima. Naročito, pristup sa planiranim karakteristikama bi efektivno zahtevao odvojen skup parametara za podešavanje procesa za povraćaj iz svakog poremećaja. Nasuprot tome, kontrolni sistem na bazi nelinearnog modela prema ovom pronalasku, bi zahtevao samo jedan skup kontrolnih parametara zbog toga što sam model uzima u obzir poremećaje procesa.

Kao što je napred pomenuto, doskorašnja primena kontrole procesa na bazi nelinearnog modela se smatrala neodgovarajućom za složene hemijske procese kao što je karbonilovanje metanola zbog velikog broja istovremenih reakcija i složenog održavanja procesnih karakteristika, kao i zbog visokih troškova razvoja odgovarajućeg modela procesa pogodnog za implementaciju nelinearne kontrole. Međutim, prijavioci su otkrili da nelinearna kontrola bazirana na tačnom modelu procesa može obezbediti značajnije brži povratak iz stanja procesnih poremećaja nego planiranjem karakteristika ili sličnim pristupom, jer je kontroler pogodniji da pravilno predvidi uticaj izlaznih promena kontolera u odnosu na proces. Ovakav brzi povraćaj doprinosi povećanoj profitabilnosti, jer se proces mnogo brže vraća na rad pri svom optimalnom kapacitetu.

Ovo poboljšano vreme povraćaja je šematski prikazano na Slici 2 koja predstavlja opšti dijagram brzine proizvodnje u odnosu na vreme. Ciljna brzina proizvodnje Rl se održava do vremena ti, kada poremećaj procesa (kao što je neočekivano smanjenje u napajanju ugljenmonoksidom) zahteva smanjenje brzine proizvodnje na R2 u vremenu od t2 do t3, kada se koriguje uslov koji je zahtevao smanjenje brzine proizvodnje. Primenom kontrole bazirane na nelinearnom modelu prema ovom pronalasku, nelinearni višestruko promenljivi kontroler je vratio proces na brzinu proizvodnje Rl u vremenu t4.

Nasuprot tome, zbog toga što linearni višestruko promenljivi kontroler radi samo u uzanom radnom opsegu, povraćaj procesa se obično ostvaruje kombinacijom linearne automatske kontrole i direktne kontrole operatora. Pod ovim uslovima, ovaj proces se sporije vraća na brzinu proizvodnje Rl. Pod kontrolom baziranom na nelinearnom modelu prema ovom pronalasku, kontroler bolje može da predvidi efekte promena njegovih izlaza, omogućujući brži odziv. Kao rezultat toga, proces se brže vraća na ravnotežno stanje. Ovo je prikazano na Slici 3, u kojoj uz primenu kontrole bazirane na linearnom modelu u kombinaciji sa direktnom kontrolom od strane operatora, proces se vraća na ravnotežno stanje duž krive A, dostižući originalnu brzinu Rl u vremenu t5. Nasuprot tome, uz primenu kontrole bazirane na nelinearnom modelu prema postupku ovog pronalaska, ovaj proces se vraća na ravnotežno stanje duž strmije (tj. brže) krive B, dostižući originalni obim Rl u vremenu t4. Primećeno je da se ovaj postupak vraća mnogo brže iz poremećaja procesa kada se kontrolni sistem bazira na tačnom nelinearnom modelu ovog procesa.

Kontrola bazirana na nelinearnom modelu prema ovom pronalasku može takođe da se primeni, u različitim primerima izvođenja, da kontroliše proces u vreme promene brzine proizvodnje, tj. između vremena t2 i t3. Zbog toga što smanjena brzina proizvodnje R2 može biti jedinstvena za svaki pojedinačni tip poremećaja procesa, kao i za različite slučajeve istog poremećaja procesa, kontrola bazirana na nelinearnom modelu ima pogodnosti u odnosu na kontrolu baziranu na linearnom modelu za vreme ovog korektivnog perioda. Ako se kontrola bazirana na linearnom modelu primenjuje u toku ovog vremena, trebalo bi razviti odvojene grupe kontrolnih parametara za svaki mogući poremećaj postupka. Slično tome, pokazano je da kontrola bazirana na nelinearnom modelu prema ovom pronalasku takođe se može, u različitim primerima izvođenja, koristiti da kontroliše ovaj postupak u toku vremena kada je obustavljena proizvodnja, izmedju vremena ti i t2.

Shodno tome, podnosioci ove prijave su utvrdili da u slučaju procesa karbonilovanja metanola, prednosti nelinearne kontrole su ipak veće od očiglednih nedostataka. Konkretno, visoki troškovi razvoja jednog anticipiranog modela, koji u potpunosti obračunava nelinearnost procesnih karakteristika, su u potpunosti kompenzovani potencijalnim uštedama troškova koje rezultiraju zbog brzog povratka u stabilno stanje, a koje ovaj model omogućava.

Pogodni kontrolni softver za implementaciju višestruko promenljive nelinearne kontrole uključuje Galaxy Nonlinear Control sistem firme PAS, Inc. Sistem za modelovanje PAS NOVA<®>ili sličan paket se može upotrebiti za razvoj izvornog modela ovog sistema. Ovaj sistem je naročito odgovarajući za postupak za proizvodnju sirćetne kiseline, jer je pogodan za modelovanje složene reakcione šeme u reaktoru (16) kao i daljih procesa separacije (razdvajanja donje struje). Za razliku od prediktivnih kontrolnih sistema sa linearnim modelom, Galaxy sistem uzima u obzir procesne nelinearnosti tako da se jedna grupa parametara koje podešava kontrolor može primeniti da se upravlja celokupnim procesom. Ovo se fundamentalno razlikuje od pristupa sa „planiranjem karakteristika" u kojem se odvojene grupe kontrolnih parametara implementiraju u zavisnosti od uslova ovog procesa.

Stručnjacima u ovoj oblasti koji koriste ovaj pronalazak će biti jasno da za bilo koji specifični postupak za proizvodnju sirćetne kiseline, postoje zavisne promenljive, npr., kontrola promenljivih parametara, i nezavisne promenljive, npr., manipulišuće promenljive i eksterni poremećaji, koje su naizgled drugačije. Različite implementacije verovatno će imati istovremeno definisane zavisne i nezavisne promenljive parametre ali i očigledne razlike u različitim varijantama.

Slično tome, skup pojačanja koji će biti od primarnog interesa za procesnu kontrolu, biće različit za svaku primenu procesa za karbonilovanje metanola. Iako će neke karakteristike-pojačanja verovatno biti od interesa za svaku od procesnih implementacija, može se očekivati da će neka pojačanja biti važna za samo neke procesne implementacije. Isto tako, značaj bilo koje karakteristike-pojačanja variraće za svrhe modelovanja među ovim procesima.

Tipičan proces karbonilovanja metanola može imati ne manje od 20 do 25 zavisnih promenljivih parametara u vezi sa zadatim uslovima i ne manje od 15 do 20 nezavisnih promenljivih parametara koji obezbeđuju korektivnu kontrolu. Zavisni promenljivi parametri za koje se može očekivati da su zajednički za više procesa karbonilovanja metanola uključuju protok kroz izlazni ventil snabdevanja ugljenmonoksidom - procenat otvorenosti; protok punjenja ugljenmonoksidom; izlazni ventil za hlađenje reaktora - procenat otvorenosti; nivo u reaktoru; protok kroz ventil za ispiranje reaktora - procenat otvorenosti; protok kroz ventil za recikliranje katalizatora - procenat otvorenosti; diferencijalni pritisak kolone lakih frakcija; specifičnu težinu teške faze dekantera na koloni sa gornjim lakim frakcijama; diferencijalne pritiske kolone za sušenje; kontrolnu temperaturu kolone za sušenje; koncentraciju vode u donjoj sekciji kolone za sušenje; koncentraciju vode u ostatku kolone za sušenje; protoka pare kroz izlazni ventil kolone za sušenje; i nivo u resiveru iznad kolone za sušenje. Stručnjacima koji su verzirani u ovoj oblasti je prepoznatljivo da sve ove zavisne promenljive ne moraju biti relevantne za neke procese i da dodatna zavisna promenljiva može biti relevantna za neke procese.

Nezavisne promenljive za koje se može očekivati da su zajedničke za mnoge procese karbonilovanja metanola čine ulazni protok punjenja metanola; temperatura reaktora; protok od reaktora do suda za flešovanje; kontrolisana temperatura kolone za sušenje; protok od refluksa gornje zone kolone za sušenje do kolone za sušenje; protok od resivera gornje zone kolone za sušenje do reaktora; i pritisak u resiveru gornje zone kolone za sušenje. Stručnjaci u ovoj oblasti će prepoznati da sve ove nezavisne promenljive ne moraju biti relevantne za neke procese i da dodatna nezavisna promenljiva može biti relevantna za neke procese.

Sa ovim brojem zavisnih promenljivih i nezavisnih promenljivih koje mogu biti relevantne za bilo koju posebnu procesnu implementaciju, broj mogućih karakteristika-pojačanja koji bi mogao biti razmatran za nelinearnu višestruko promenljivu kontrolu je potencijalno značajan. Kao što bi se moglo odrediti iz modelovanja ovog procesa, pojačanja (dole prikazani kao odnos nezavisna promenljiva:zavisna promenljiva) za koje bi se moglo očekivati da su zajednički za više procesnih implementacija za karbonilovanje metanola uključuju: a) kontrolu temperature kolone za sušenje: koncentraciju ostatka vode u koloni za sušenje; b) kontrolu temperature kolone za sušenje: protok pare kroz izlazni ventil kolone za sušenje; c) pritisak u resiveru iznad kolone za sušenje: diferencijalne pritiske kolone za sušenje; d) protok iz resivera iznad kolone za sušenje prema reaktoru: nivo u resiveru iznad kolone za sušenje; e) protok od refluksa resivera iznad kolone za sušenje prema koloni za sušenje: diferencijalne pritiske kolone za sušenje; f) protok od refluksa resivera iznad kolone za sušenje prema koloni za sušenje: temperatura kolone za sušenje; g) protok od refluksa resivera iznad kolone za sušenje prema koloni za sušenje: protok pare kroz ventil kolone za sušenje; h) protok od refluksa resivera iznad kolone za sušenje prema koloni za sušenje: diferencijalni pritisci kolone za sušenje; i) pritisak u koloni za sušenje: koncentracija vode u donjoj sekciji kolone za sušenje; j) pritisak u koloni za sušenje: kontrola temperature kolone za sušenje; k) pritisak u koloni za sušenje: koncentraciju vode u ostatku kolone za sušenje; 1) pritisak u koloni za sušenje: protoka pare kroz izlazni ventil kolone za sušenje; m) ulazni protok punjenja metanola: protok snabdevanja ugljenmonoksidom; n) ulazni protok punjenja metanola: protok kroz izlazni ventil snabdevanja ugljenmonoksidom - procenat otvorenosti; o) ulazni protok punjenja metanola: diferencijalne pritiske kolone za sušenje; p) ulazni protok punjenja metanola: pritisak u resiveru gornje zone kolone za; q) ulazni protok punjenja metanola: koncentraciju vode u ostatku kolone za sušenje; r) protok punjenja metanola: diferencijalni pritisak kolone lakih frakcija; s) protok punjenja metanola: specifična težina teške faze dekantera iznad kolone lakih frakcija; t) protok punjenja metanola: izlazni ventil za hlađenje reaktora - procenat otvorenosti; u) protok punjenja metanola: nivo u reaktoru; v) temperaturu reaktora: specifičnu težinu teške faze dekantera na koloni sa gornjim lakim frakcijama; w) protok od reaktora do suda za flešovanje : protok kroz ventil za recikliranje katalizatora - procenat otvorenosti; x) protok od reaktora do suda za flešovanje: diferencijalni pritisak kolone lakih frakcija; y) protok od reaktora do suda za flešovanje: nivo u reaktoru, i z) protok od reaktora do suda za flešovanje: protok kroz ventil za ispiranje reaktora - procenat otvorenosti. Stručnjacima u ovoj oblasti koji koriste ovaj pronalazak će biti jasno da svi ovi parametri ne moraju biti relevantni za modele nekih postupaka i da dopunska pojačanja mogu biti relevantna za modele nekih postupaka. Posebne varijante pojačanja koje će biti uključeni u neki model, variraće od postupka do postupka i razlikovaće se na bazi brojnih faktora, koji uključuju, ali nisu ograničeni samo na njih, kontrolne ciljeve, kontrolnu strategiju i druge praktične aspekte, kao što je na primer pouzdanost signala. Pokušaj da se identifikuju karakteristike pojačanja koje bi trebalo primeniti za nelinearnu višestruko promenljivu kontrolu za bilo koji specifični postupak, iako je verovatno kompleksan i dugotrajan, bio bi rutinski poduhvat za one koji su verzirani u ovoj oblasti i imaju korist od ovog otkrića.

U naročito preferiranoj varijanti sistema za upravljanje zasnovanog na modelu, uključena je mogućnost za optimizaciju, omogućavajući takođe ekonomske pokazatelje u realnom vremenu. Ova funkcija dozvoljava sistemu da prepozna i da ostvari kontrolu promena, što optimizuje brzinu proizvodnje sirćetne kiseline u odnosu na cenu sirovina i energenata (npr., paru i električnu struju) tako da ovaj postupak može funkcionisati pri najekonomičnijim uslovima.

U cilju boljeg razumevanja ovog pronalaska, dati su sledeći primeri pojedinih aspekata nekih primera izvođenja. Sledeće primere ni na koji način ne bi trebalo razumeti ili definisati tako da ograniče opseg ovog pronalaska.

Primeri izvođenja

Primer 1

Postupak karbonilovanja metanola, kao što je opšte prikazan na Slici 1, izvođenje na način sa malo vode pod uslovima ravnotežnog stanja pri ciljnoj brzini proizvodnje Rl, na bazi protoka metanola.

U vremenu ti, postupak je podvrgnut poremećaju pri čemu je ogledom ispitivano smanjenje protoka ugljenmonoksida. U vremenu t2, postupak se odvijao pri smanjenoj brzini proizvodnje R2, koja je bila 32% od brzine pri Rl. U tom trenutku, postupak je podvrgnut kontroli na bazi nelinearnog višestruko - promenljivog modela, koji je dobijen iz izvornog modeliranja. Uslovi kada se odvijao ovaj postupak u vremenu t2, koji su dati bilo kao promena između odgovarajućih uslova pre poremećaja postupka ili kao procenat od odgovarajućeg stanja pre poremećaja postupka (100%), bili su sledeći:

razlika temperature: -12°C

pritisak u reaktoru: 94,6%

protok ugljenmonoksida: 32%

U vremenu t3, povraćen je protok ugljenmonoksida. U tom vremenu, postupak se odvijao pri brzini proizvodnje koja je bila 31% od brzine proizvodnje pri Rl. Uslovi postupka pri vremenu t3, koji su dati bilo kao razlika između odgovarajućih uslova pre poremećaja postupka ili kao procenat odgovarajućih uslova pre poremećaja postupka (100%) bili su sledeći:

razlika temperature: -20°C

pritisak u reaktoru: 100%

protok ugljenmonoksida: 31%

Ovaj postupak je održavan pod kontrolom na bazi nelinearnog modela sa više promenljivih tako da se postupak vrati na uslove prethodnog ravnotežnog stanja koji su povezani sa ciljnom brzinom proizvodnje Rl, koja je bila postignuta u vremenu t4. U vremenu t4, uslovi postupka, koji su dati bilo kao razlika između odgovarajućih uslova pre poremećaja postupka ili kao procenat odgovarajućih uslova pre poremećaja postupka (100%) bili su sledeći:

razlika temperature: < 1°C

pritisak u reaktoru: 100%

protok ugljenmonoksida: 100%

Ovaj povraćaj od smanjene brzine proizvodnje R2 prema ovom primeru je prikazan na Slici 2 i takođe pomoću krive B na Slici 3.

Glavni sastav reakcione sredine uključuje, ali nije ograničen samo na to, koncentracije metil-jodida i metil-acetata u vremenima t2, t3 i t4 koje se suštinski nisu promenile u odnosu na nivo koncentracija pre poremećaja procesa, dokazujući mogućnost da višestruko promenljiva nelinearna kontrola bazirana na modelu efikasno vraća postupak za proizvodnju sirćetne kiseline na ciljnu brzinu proizvodnje nakon nekog poremećaja.

Poredbeni primer 2

Postupak karbonilovanja metanola je izvođen na način kao što je opisano u primeru 1, osim što je u vremenu t3, ovaj postupak stavljen pod kombinaciju regulatorske kontrole kojom upravlja operator i kontrole na bazi višestruko - promenljivog linearnog modela da vrati postupak na uslove prethodnog ravnotežnog stanja vezanog sa ciljnom brzinom proizvodnje Rl, koja je postignuta u vremenu t5. Povraćaj iz ove smanjene brzine proizvodnje R2 prema ovom poredbenom primeru je prikazan pomoću krive A na Slici 3.

Zbog toga je ovaj pronalazak dobro podešen da ostvari ove ciljeve i dostigne pomenute ciljeve i prednosti, kao i one koji su tu sadržani. Iako je pronalazak predstavljen i opisan sa referencama na primerima izvođenja ovog pronalaska, takva referenca ne ograničava pronalazak i ne podrazumeva takvo ograničenje. Takođe, pronalazak omogućava značajnu modifikaciju, promenu i ekvivalente u obliku i nameni, koje mogu razviti stručnjaci u oblasti inženjerstva, a koji imaju korist od ovog otkrića. Na primer, ovaj pronalazak nije ograničen na primenu postupaka koji koriste rodijum kao katalizator. Ovaj pronalazak se može primeniti na sisteme koji upotrebljavaju druge sisteme katalizatora, uključujući postupke koji koriste iridijum.

Prikazani i opisani primeri izvođenja pronalaska su samo ilustrativni i ne iscrpljuju opseg ovog pronalaska. Shodno tome, namera je da pronalazak bude ograničen samo suštinom i opsegom priloženih zahteva, pružajući puno razumevanje ekvivalentima u svakom pogledu.

Claims (3)

1. Postupak za upravljanje procesomza proizvodnju sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola ili derivata koji se može karbonilovati, naznačen time, što obuhvata korake: proizvodnju sirćetne kiseline u jednom rasporedu procesne opreme pod normalnim radnim uslovima karbonilovanjem metanola (10) u kome se ugljenmonoksid (12) i uskladišteni metanol i/ili karbonilovani derivat (14) uvode u reaktor (16) za mešanje sa katalizatorom koji sadrži rodijum ili katalizatorom koji sadrži iridijum, metil jodid i litijum jodid da bi se proizveo reaktorski tok koji sadrži sirćetnu kiselinu (18); impulsno isparavanje toka iz reaktora (18) da bi se proizvela gornja frakcija koja sadrži sirćetnu kiselinu i ostatak koji sadrži katalizator i litijum jodid; recirkulacija ostatka nazad u reaktor (16); dalje prečišćavanje gornje frakcije putem destilacije da bi se eliminisali metanol, metil acetat, metil jodid u cilju proizvodnje sirćetne kiseline u normalnim radnim uslovima; praćenje brzine proizvodnje sirćetne kiseline (30) kontrolisanjem bar jednog nezavisno promenljivog procesnog parametra izabranog iz grupe koja obuhvata: protok metanola; temperatura u reaktoru; protok od reaktora do impulsnog isparivača (flešera); protok od resivera gornje frakcije kolone za sušenje prema koloni za sušenje; protok recirkulacionog toka od resivera gornje frakcije kolone za sušenje prema reaktoru; pritisak u resiveru gornje frakcije kolone za sušenje i njihove kombinacije; praćenje brzine proizvodnje sirćetne kiseline kontrolisanjem bar jednog zavisno promenljivog procesnog parametra izabranog iz grupe koja obuhvata: procenat otvorenosti ventila na dovodu ugljenmonoksida, protok ugljenmonoksida, procenat otvorenosti ventila na sistemu za hladjenje reaktora, nivo u reaktoru, procenat otvorenosti ventila na toku od reaktora prema impulsnom isparivaču (flešeru), procenat otvorenosti ventila na recirkulaciji katalizatora, razlika pritisaka u koloni lakih frakcija, specifična težina teške frakcije u dekanteru gornjih lakih frakcija, razlika pritiska u koloni za sušenje, koji kontroliše temperaturu u koloni za sušenje, koncentraciju vode u donjoj sekciji kolone za sušenje, koncentraciju vode u ostatku u koloni za sušenje, protok kroz ventil na toku pare prema koloni za sušenje, nivo tečnosti u resiveru gornje frakcije kolone za sušenje i njihove kombinacije; smanjenje brzine proizvodnje sirćetne kiseline (30) kao odgovor na promenu procesnih uslova ili stanja procesne opreme, tako da taj raspored procesne opreme radi pri smanjenoj brzini proizvodnje sirćetne kiseline kontrolisanjem bar jednog od nezavisnih i/ili zavisnih parametara da bi se ostvarila smanjena proizvodnja, u kome promena stanja procesne opreme uključuje smanjenje napajanja ugljenmonoksidom ili napajanje reaktora metanolom, kvar na pumpi za napajanje katalizatora, smanjenje kapaciteta za grejanje ili gubitak kapaciteta za hladjenje, potapanje kolone za prečišćavanje, značajno odstupanje od potrebnog sastava jednog ili više tokova povezanih sa kolonom za prečišćavanje, nedostatak rezervoara za sirćetnu kiselinu ili njihova kombinacija; kontrola procesa pri smanjenoj brzini prizvodnje sirćetne kiseline kontrolisanjem bar jednog od nezavisnih i/ili zavisnih promenljivih parametara, dok se sistem procesne opreme ne vrati u inicijalno stanje normalnog rada koje je bilo pre pomenute promene; i povećanje brzine proizvodnje sirćetne kiseline (30) posle pomenute promene stanja dok se sistem ne vrati u inicijalno stanje normalnog rada kontrolisanjem bar jednog od nezavisnih i/ili zavisnih parametara pri čemu, za vreme smanjenja brzine proizvodnje sirćetne kiseline, vodjenje procesa pri smanjenoj brzini proizvodnje ili povećanje proizvodnje do dostizanja normalnih procesnih uslova - je proces kontrolisan nelinearnim višestruko promenljivim upravljanjem baziranim na modelu procesa.

2. Postupak prema patentnom zahtevu 1, naznačen time, što procesni model obuhvata neempirijski model bar reakcione sekcije procesa.

3. Postupak prema patentnom zahtevu 1, naznačen time, što dalje uključuje kontinualnu optimizaciju procesnih uslova baziranih na modelu procesa kada je proizvodnja sirćetne kiseline u normalnom radnom opsegu.